【技术】简析典型山地模型流场特性-北极星风力发电网

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在建设山地风电场时，山地地形相比于平坦地区较为复杂，风况灵活多变。面对这种情况，研究山地流场的一些特性是具有一定意义的。本文基于CFD技术应用Fluent软件对二维孤立单山、二维连续双山进行了数值模拟，根据计算结果对山地流场区域的各参数分布进行简单分析。

1、二维孤立单山

山体选取80米高400米宽的单山模型，数值模型采用结构网络，应用Gambit软件建模，近壁边界层网格加密，为满足精度对网格的要求，网格总数约为6万。模型的边界条件设置如下：入口为速度入口，需要写入带有风廓线的udf函数；出口为压力出口；上部为对称边界；底部为wall边界。

由以上速度云图可知，风速在坡顶有非常明显增大现象，是适合的布机位置，山后存在较大的分离区，由于流动分离的存在（一般迎风坡坡度达到17゜，背风坡达到22゜就会产生流动分离），导致山体背风面风速较低。坡顶与迎风面和背风面不同的是，风速在坡顶的变化过程比较短，随着高度的增加很快就增加到最大风速值。

以上三幅图分别为迎风坡、山顶、背风坡处速度随高度的变化情况，由图可知，山顶位置随着高度增加风速是先减小然后才恢复逐渐增大的，表明该点所获得的加速效果最好，是良好的布机区域。在迎风面由于陡坡地形的抬升，对流动产生阻碍作用，导致山前速度减小。山后由于有流动分离的存在，导致形成了分离涡，所以在近山表面区域速度随高度变化跨度较大（相比于迎风面）。

由以上湍动能图可知，湍动能最大值集中分布在山后的分离区域，其次在山顶附近（靠近迎风面）。通过与速度图比较可知，湍动能较大值区域与分离涡的位置并不重合，而是位于分离涡后方，即湍动能最大值分布区与分离区相比产生了滞后现象。通过查阅资料分析，产生滞后可能是因为这部分流体速度值与分离区相比较大，又在尾涡的作用下具有较大的剪切变形速率，在剪切的作用下形成了各种尺度的脉动，湍动能的产生源于大尺度的脉动。考虑湍流脉动对风机叶片疲劳载荷和寿命的影响，对于山体流场在后山脚之后一段距离不布置风机。

2、二维连续双山

山体选取80米高300米宽和100米高300米宽的双山模型，其模型它设置同单山模型设置。

由以上速度图能够看出，在两山之间有一个很大的漩涡，高山模型在组合流场中起到决定性作用，当气流从矮山流过之后遇到高度更高的高山，本模型中由于高山坡度大对气流产生的阻碍作用明显，使一部分低速气流不能顺利流过高山。同时无论是矮山山顶还是高山山顶都存在明显的加速现象，但是与孤立单山模型相比，由于相邻山体之间的影响，无论高山山顶还是矮山山顶的加速都没有孤立单山的加速大，当然随着高度的增加，这种相邻山之间的影响作用也在弱化。风机的最适宜布机位置是高山和矮山的山顶，但是受到高山尾流影响的矮山山顶却不是合适的位置。

由以上湍动能图可知，对于矮高组合山的湍动能分布，湍动能的极大值在高山的山后面取得，这种结果应该是矮山的尾流和高山障碍物作用共同影响的结果，与单山相比湍动能的最大值区域被提高了，并且湍动能有所增加。

3、总结

（1）对于孤立的二维山体分析，山顶处的速度最大，加速十分明显，并且在山的背风面产生了流动分离。最大的湍流强度值是在后山脚取到的。湍动能的较大值的区域和分离涡的位置并不重复，而是在分离涡的后面。风机的最适宜布机位置是山顶，考虑湍流脉动对风机叶片疲劳载荷和寿命的影响，对于山体流场在后山脚之后一段距离不布置风机。

（2）对于二维连续双山流场的分析，与孤立的单山相比较，双山的山顶加速效果不如单山，在连续的二维双山中，高山受到矮山的影响较小，但是矮山受到高山的影响较大，两山之间存在分离涡。风机的最适宜布机位置是高山和矮山的山顶，但是受到高山尾流影响的矮山山顶却不是合适的位置。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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